x
Responsive Menu Clicked Image

VĚDECKÁ ČINNOST

»  Mechanické účinky světla

     Podle Maxwellovy teorie je světlo elektromagnetické vlnění, tvořené rychle oscilujícími elektrickými a magnetickými poli. Jeho energie se v prostoru šíří konečnou rychlostí odpovídající rychlosti světla. Pro vysvětlení všech pozorovaných jevů není vlnová podstata světla postačující a je nutné připustit také částicový charakter světla.

VLNOVÁ A ČÁSTICOVÁ PODSTATA SVĚTLA


1_mechPro zvětšení klikněte na obrázek

 SILOVÉ PŮSOBENÍ SVĚTLA


     Světlo nese energii, hybnost a moment hybnosti, které mohou být předány při interakci  s mikroskopickými nebo makroskopickými objekty. Při absorpci světla dochází k přeměně elektromagnetické energie na tepelnou, která může být využita k rozrušení materiálu při laserovém obrábění. Změna hybnosti fotonů při interakci se projevuje tlakem záření, který lze využít pro vesmírné plachtění nebo manipulace mikroskopických objektů. Moment hybnosti zahrnuje orbitální moment hybnosti a spin a jeho důsledkem je moment síly, který se při interakci projevuje rotačním účinkem. Orbitální moment hybnosti má přímou souvislost se šroubovitým tvarem vlnoplochy, která je typická pro světelné víry. Spin je nesen světelnými vlnami s kruhovou polarizací. Projevy orbitálního momentu hybnosti a spinu lze pozorovat při optické manipulaci mikroskopických objektů. Orbitální moment hybnosti způsobuje rotaci částic kolem osy svazku, zatímco spin roztáčí částice kolem vlastní osy.

2_mech

OBJEVENÍ TLAKU ZÁŘENÍ


     Zkoumání tlaku záření má svůj počátek již v roce 1619, kdy J. Kepler použil koncepci radiačního tlaku pro vysvětlení pozorovaného odklonu chvostu komet od Slunce. Poznatek, že světlo jako elektromagnetické záření nese hybnost a při dopadu působí tlakem na jakýkoliv povrch,  byl publikován J. C. Maxwellem v roce 1862. Experimentální ověření tlaku záření bylo provedeno  P. Lebeděvem v roce 1901 a téměř současně také E. F. Nicholsem a G. F. Hullem. Tlak záření je nepatrný a může být prokázán jen v mimořádně citlivých experimentech. V Nicholsově radiometru je tlak záření demonstrován s využitím torzní rovnováhy malých postříbřených zrcátek upevněných na jemném křemenném vlákně. Aby bylo možné odlišit tlak záření působícího nad zrcátka od tlaku molekul vzduchu, jsou umístěna ve vakuované baňce (tlak uvnitř baňky menší než 10-4 Pa).

3_mech

TLAK ZÁŘENÍ A ZMĚNA HYBNOSTI FOTONŮ


     Při dopadu světla na absorbující nebo odrážející povrchy nastává změna hybnosti fotonů. Ze zákona zachování hybnosti je zřejmé, že hybnost přenesená na dokonale odrazný povrch je dvojnásobná, než v případě plně absorbujícího povrchu. Rozdílný tlak způsobený absorpcí a odrazem záření byl nesprávně použit pro objasnění otáčení lopatek Crookesova radiometru objeveného v roce 1873 a dnes známého jako sluneční mlýnek. Toto jednoduché zařízení je tvořeno skleněnou baňkou s částečně vyčerpaným vzduchem, ve které je malá vrtulka uložená na jehlovém ložisku. Vrtulka má čtyři slídové listy z jedné strany bílé a z druhé začerněné. Podlé původní nesprávné představy předpokládající působení tlaku záření by se při osvětlení musela vrtulka otáčet  lesklou stranou ve směru dopadajícího záření. Při skutečném pozorování je ale směr otáčení právě opačný. Vzduch není z baňky dokonale vyčerpán a lopatky se pohybují ve zředěném plynu, který se u absorbující strany lopatky více zahřívá (molekuly plynu mají vyšší kinetickou energii) a působí vyšším tlakem než na odrážející straně lopatky. Otáčení Crookesova mlýnku rozhodně nelze považovat za demonstraci tlaku záření. Ten je v tomto případě nesrovnatelně menší než tepelné efekty.

4_mech

ODHAD TLAKU ZÁŘENÍ


     Tlak, kterým působí sluneční záření na povrchu Země je velmi malý a jeho hodnotu lze odhadnout z celkového vyzářeného výkonu. U  laserového svazku je možné radiační tlak výrazně zvýšit fokusací do malé stopy. Pokud je do fokusovaného svazku He-Ne laseru o výkonu 20 mW a poloměru stopy 5 μm vložena kulička o poloměru 1 μm, svazek působí silou o velikosti několika pN. Takové síly jsou postačující k tomu, aby světlo mohlo hýbat mikroskopickými objekty.

5_mech

VYUŽITÍ HYBNOSTI SVĚTLA


     První návrhy na využití tlaku záření pocházejí od K. Ciolkovského a F. Tsandera a byly zaměřeny na možnost slunečního plachtění. Přestože tlak slunečního záření je velmi malý, jeho trvalé působení na plachtu velkých rozměrů a malé hmotnosti poskytuje solární pohon s vysokou hodnotou specifického impulsu, který je příslibem pro průnik slunečních plachtenic do hlubokého vesmíru. První experimenty, ve kterých světlo hýbalo mikroskopickými objekty, byly provedeny A. Ashkinem a staly se základem optických manipulací.

6_mech

OPTICKÉ MANIPULACE – LASEROVÁ PINZETA


     Experiment A. Ashkina, který je pokládán za počátek optických manipulací, využíval dva vstřícné laserové svazky. Jejich opačný radiační tlak zajišťoval axiální stabilitu částic, překvapující byla ale radiální síla, která částice přemísťovala do blízkosti osy svazku, kde byla nejvyšší intenzita. Později bylo prokázáno, že gradientní síla, která částice přemísťuje do místa s nejvyšší intenzitou, může u ostře fokusovaného laserového svazku překonat radiační tlak. Částice pak mohou být radiálně i axiálně zachyceny jediným svazkem. Takový optický systém je nazýván jednosvazková laserová pinzeta.

7_mech

PODÉLNÉ PŮSOBENÍ GRADIENTNÍ SÍLY


     Působení gradientní síly může být zjednodušeně vysvětleno vyhodnocením změn vektoru hybnosti, který je přiřazen paprskům procházejícím transparentní kuličkou s indexem lomu větším, než je index lomu okolního prostředí. Částice, která se nachází za pasem fokusovaného svazku, získává hybnost orientovanou proti radiačnímu tlaku.

8_mech

PŘÍČNÉ PŮSOBENÍ GRADIENTNÍ SÍLY


     Kuličkou umístěnou mimo osu laserového svazku procházejí paprsky rozdílné intenzity. Změna vektoru hybnosti odpovídající dopadajícím a prošlým paprskům určuje změnu hybnosti kuličky, která míří k ose svazku.

9_mech

OPTICKÝ DOPRAVNÍK PRO TRANSPORT ČÁSTIC


     V optických manipulacích mohou být úspěšně využity speciálně připravené svazky, jako jsou nedifrakční nebo vírové svazky. Příkladem je optický dopravník, který byl realizován ve spolupráci mezi ÚPT AV ČR Brno a UP Olomouc a zajišťuje transport částic pomocí interference dvou nedifrakčních svazků Besselova typu.

 

T. Čižmár, V. Kollárová, Z. Bouchal and P. Zemánek, New J. Phys. 8, 43 (2006).  Odkaz na publikaci


BIOFOTONICKÁ STANICE PRO OPTICKÉ MANIPULACE


     Významným přínosem pro optické manipulace bylo využití technologie prostorové modulace světla. Ve spolupráci mezi Univ. St. Andrews a UP Olomouc byla realizována pracovní stanice, ve které byly vytvářeny jednoduché i vícenásobné optické pasti pomocí amplitudové a fázové modulaci prostorového spektra nedifrakčního Besselovského svazku.

 

 T. Čižmár, V. Kollárová, X. Tsampoula, F. Gunn-Moore, W. Sibbett, Z. Bouchal, K. Dholakia, Opt. Express 16, 14024 (2008).  Odkaz na publikaci

 

HOLOGRAFICKÁ LASEROVÁ PINZETA


     Holografická pinzeta umožňuje vytváření členitých optických pastí, které mohou být ovladatelně rekonfigurovány prakticky v reálném čase. Částice tak mohou být v optických pastích nejen zachyceny, ale i cíleně přemísťovány. Dynamická činnost holografické laserové pinzety je umožněna začleněním prostorového modulátoru světla, který transformuje dopadající záření pomocí hologramů odesílaných z počítače.

12_mech

     Konstrukce holografické optické pinzety navržené v LDO vychází z uspořádání standardního mikroskopu tvořeného mikroskopovým objektivem (MO), tubusovou čočkou (TL) a kamerou. Kromě světla použitého pro zobrazení je do MO přiveden i laserový svazek dostatečného výkonu, který je  prostorovým modulátorem světla transformován tak, aby bylo vytvořeno požadované prostorové rozmístění optických pastí.

13_mech

DYNAMICKÉ OPTICKÉ MANIPULACE


     Video demonstruje činnost holografické laserové pinzety zkonstruované v LDO v rámci projektu MPO v programu TANDEM FT-TA2/059 (2005-2008). Částice mohou být zachyceny a přímočaře přemístěny do vyznačených pozic nebo mohou  sledovat libovolnou trajektorii, která je v reálném čase vytvářena kurzorem.